3456

31

4) гексобаридные катоды.

Катоды первой группы – не активированные. Такие катоды называют простыми или однородными.

Катоды второй, третьей и четвертой групп являются активированными. На их наружной поверхности имеется активный слой.

Упленочных катодов активный слой – одноатомная пленка электроположительного металла. Эти катоды – тонкослойные.

Уполупроводниковых катодов активный слой имеет значительную толщину (десятки тысяч и более атомных слоев) и состоит обычно из полупроводника с примесной электронной проводимостью. Эти катоды – толстослойные.

Рассмотрим некоторые типы катодов из каждой перечисленной группы:

Катоды из чистых металлов

Вольфрамовые катоды

Основными свойствами вольфрама W, вызвавшими использование его для изготовления катодов, являются:

высоком анодном напряжении.

Танталовые катоды

Рабочая температура – 2300÷2500 0К, ток эмиссии в 10 раз больше, чем у вольфрама. Применяют в мощных высоковольтных лампах.

Недостаток – рекристаллизация при нагреве. Катод становится хрупким и ломким.

Пленочные термоэлектронные катоды

Существует большое число исследований влияния на термоэлектронную эмиссию тонких слоев инородных атомов, образованных различными способами на поверхности основного металла.

Некоторые покрытия дают заметное улучшение эмиссионных свойств (торий или барий на вольфрам), в то время как другие, прежде всего кислород резко снижают эмиссию.

При обозначении пленочного катода сначала указывается основной металл, а затем вещество покрытия, например W–Th (торированный вольфрам).

32

Таблица 9.1 - Эмиссионные константы пленочных катодов

Выясним причину уменьшения работы выхода при нанесении на металл одноатомной пленки.

Атомы покрытия легко теряют свои валентные электроны, которые оказываются в сильной степени затянутыми в решетку керна. В результате средняя плотность свободных электронов вблизи ионов покрытия меньше, чем в решетке, а вблизи верхнего слоя атомов решетки керна, непосредственно у его поверхности, из-за действия положительных ионов покрытия будет, наоборот, повышенная плотность электронов. Такое распределение зарядов создает у поверхности эмиттера обращенный положительными зарядами наружу дипольный слой с расстоянием между зарядами порядка междуатомных расстояний в решетке (рис. 9.5).

Рисунок 9.5

При адсорбции атомов, имеющих сильное сродство к электрону, т.е. атомов, легко присоединяющих к себе электроны, получается затягивание электронов из решетки в покрытие и образование дипольного слоя, обращенного наружу отрицательными зарядами.

Распределение потенциала в дипольном слое и вблизи него, если расстояние между диполями порядка их длины, представлено на рисунке

9.6.

33

Рисунок 9.6

Изменение потенциала начинает делаться заметным еще на некотором расстоянии от слоя, соизмеримом с расстоянием между диполями.

На обычную кривую потенциального барьера чистого металла накладывается распределение потенциала в дипольном слое. Наложение происходит в ближайшей зоне потенциального барьера, а не в зоне, где преобладает действие сил изображения. Окончательный вид барьера будет зависеть от крутизны спадания потенциала в дипольном слое и от крутизны роста потенциального барьера в месте наложения.

Возможный случай представлен на рисунке 9.7, по оси ординат – энергия электрона. В случае небольшой крутизны кривой потенциальной энергии в дипольном слое результирующая кривая R. Действие дипольного слоя сводится к снижению работы выхода на величину ∆W.

Рисунок 9.7

34

Технические термоэлектронные пленочные катоды

В технических термоэлектронных пленочных катодах во время работы сохраняется степень покрытия, близкая к оптимальной. Это возможно, либо если пленка испаряется чрезвычайно медленно, либо если происходит замена испарившихся атомов новыми. Эту задачу наиболее успешно удалось решить для катодов с пленками тория (Th) и бария (Ba) на поверхности вольфрама

(W).

W-Th – торированный вольфрам

Кратковременно прокаливают при T=2600÷2800 0К вольфрамовую нить, содержащую окись тория. При этом восстанавливается часть тория.

Дают длительный прогрев при T=2000÷2300 0К. Во время этой операции диффузия преобладает над испарением и на поверхности образуется одноатомная пленка тория (Th) .

Наиболее частое применение – генераторные лампы.

Также в генераторных лампах применяется карбидированный торированный вольфрам. При прокалке торированного вольфрама в парах углеводородного соединения в течение 20÷30 мин. вольфрам на значительную глубину насыщается углеродом и на его поверхности образуется корка из карбида вольфрама. Карбидированный катод работает устойчивее при высоких напряжениях и допускает более высокую рабочую температуру. Его недостаток – большая хрупкость.

Оксидный катод и другие неметаллические термоэлектронные катоды

Этот тип катода наиболее широко применяется в настоящее время в электровакуумных приборах. Широкое применение оксидного катода объясняется, прежде всего, тем, что он имеет работу выхода (1÷1.2 эВ).

Оксидный катод представляет собой слой окиси щелочноземельных металлов (чаще всего это BaO и SrO), нанесенный либо на поверхность металлической проволоки или ленты, накаливаемой током (прямонакальный катод), либо на керн, нагреваемый особым, изолированным от него подогревателем (катод косвенного накала).

Плотность термоэлектронного тока для катодов такого типа

35

Другие неметаллические термоэлектронные катоды

Технические недостатки оксидных катодов (нестойкость по отношению к отравлению и сильным электрическим полям, склонность к распылению в условиях ионной бомбардировки) послужили поводом для усиленных поисков эмиттеров, пригодных для их замены. Наибольшее распространение получил только ThO2.

Работа выхода ThO2 равна 2.5÷2.6 эВ. Рабочая температура T=1800÷1900 0К и плотность тока при этом 3÷6 А/см2.

Высокая рабочая температура делает затруднительным изготовление катодов косвенного накала на основе ThO2. Эмиттер ThO2 имеет полупроводниковую природу и легко активируется, для этого его достаточно кратковременно нагреть до T=1900÷ 2000 0К.

Преимущества ThO2:

большая, по сравнению с BaO и SrO, стойкость к отравлению и электрическим полям;

возможность изготовления катода не в вакуумных условиях и длительное его хранение на воздухе;

одинаковая плотность тока как в импульсном, так и в

непрерывных режимах j 2.5 4 A см2 .

9.5 Параметры катодов

Рабочая температура

Рабочая температура (Траб), т.е. температура рабочей поверхности катода в нормальных рабочих условиях, кроме того, величиной рабочей температуры катода в значительной степени определяется тепловой режим других электродов и прибора в целом.

В электровакуумной технике стараются применять катоды, дающие необходимый ток эмиссии при возможно более низкой рабочей температуре. Однако жесткие условия работы катодов в ряде приборов заставляют наряду со сравнительно низкотемпературными катодами (Траб=1000÷1100 0К) применять высокотемпературные, но более устойчивые к неблагоприятным воздействиям катоды (Траб=2400÷2600 0К).

Удельная эмиссия

Удельной эмиссией называется величина тока электронной эмиссии с 1 см2 поверхности катода.

b

jTe A0 Д Tраб2 e T .

36

Допустимая плотность катодного тока

Для активированных катодов вместо удельной эмиссии часто применяют параметр – допустимая плотность катодного тока jk max .

Этот параметр показывает, какую наибольшую величину тока можно отобрать с 1 см2 поверхности катода.

Данный параметр зависит от материала катода и активирующего слоя, а также от рабочего режима (непрерывный, импульсный и т.д.).

Удельная мощность накала

При подведении к холодному катоду определенной мощности температура катода повышается до тех пор, пока не установится равенство мощности подводимой и мощности расходуемой катодом.

Подводимая мощность расходуется:

1 – лучеиспускание, которое зависит от свойств поверхности катода и его температуры, согласно закону Стефана–Больцмана, мощность, испускаемая с единицы поверхности тела, нагреваемого до температуры Т, равна:

P T 4 ,

где – коэффициент лучеиспускания (для абсолютно черного тела

1, для всех остальных тел 1).

– постоянная Стефана–Больцмана 5.672 10 12 Вт см2 град2 .

2 – эмиссия заряженных частиц, т.к. каждый электрон уносит с катода энергию, равную сумме совершенной электроном работы выхода и кинетической энергии, которой он обладает, выходя из металла. Т.к. в потоке вылетающих из металла электронов средняя кинетическая энергия электрона равна 2 k T , то потеря мощности катода на эмиссию, выраженная в ваттах, равна

Pe fqeT (q 0 2 k T ) jeT ( 0 1.72 104 T )

и составляет 2÷7 % от всей потребленной катодом мощности.

3 – теплопроводность держателя катода. При не очень массивных держателях эти потери ничтожно малы.

Величина мощности накала, приходящаяся на 1 см2 поверхности катода, называется удельной мощностью накала и является характеристикой потребления энергии катодом. Приближенно можно считать, что всю потребленную энергию катод отдает в виде энергии лучеиспускания, поэтому

Pнд T 4.

38

почти вытеснены из вакуумной техники полупроводниковыми катодами, среди которых наибольшее значение имеет оксидный катод.

10 Фотоэлектронная эмиссия металлов

Если на поверхность какого-либо кристалла падает поток электромагнитного излучения, то он частью отражается и частью проникает внутрь тела и там поглощается. Следствием поглощения излучения может быть, во-первых, появление новых носителей тока – электронов в полосе проводимости и дырок в заполненной полосе, т.е. увеличение электропроводимости. Это явление носит название внутреннего фотоэффекта.

Во-вторых, при поглощении излучения в кристалле могут появиться электроны настолько большой энергии, что некоторые из них, дойдя до поверхности тела, преодолевают потенциальный барьер и оказываются эмитированными. Это внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия).

Уже на ранней стадии изучения фотоэлектронной эмиссии были экспериментально установлены два основных закона:

Фотоэлектронный ток (в режиме насыщения) прямо пропорционален падающему на эмиттер потоку излучения (закон Столетова).

Максимальная энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте излучения и не зависит от его интенсивности (закон Эйнштейна).

Поскольку энергия поглощенного излучения пропорциональна энергии, падающей на эмиттер, а фотоэлектроны освобождаются за счет поглощенной эмиттером энергии, количество фотоэлектронов должно возрастать прямо пропорционально энергии потока падающего излучения.

Для доказательства закона Эйнштейна предположим, что энергия потока фотонов поглощается таким образом, что энергия отдельного фотона h поглощается одним из свободных электронов металла. Тогда на основании закона сохранения энергии можно написать для эмитированного электрона:

max после эмиссии будут обладать только те электроны, которые в момент поглощения имели энергию WF и находились непосредственно

39

вблизи поверхности, так что расходовали энергию только на преодоление поверхностного барьера Wa. Для этих электронов уравнение примет вид

почти нет. Поэтому уравнение (2) справедливо только при T 0 0 K . Поскольку работа выхода Ф зависит от напряженности поля на

эта формула подтверждается на практике только для чистых металлов.

10.1 Теория фотоэлектронной эмиссии металлов

Если в металле до облучения существуют распределения Ферми, то число электронов, попадающих за 1 сек. на 1 см2 поверхности и обладающих энергией, связанной с направлением X, перпендикулярным к поверхности, от Wx до Wx + d Wx, равно

Условие эмиссии электрона из металла имеет вид

40

Wx Wa h , после поглощения могут иметь энергию, достаточную для

эмиссии. Конечно, только немногие из электронов поглощают фотоны и для нахождения числа таких электронов нужно учесть вероятность поглощения фотона. Вообще вероятность поглощения зависит от частоты ( ) и энергии электрона, но если говорить об узкой полосе частот, близких к граничной частоте (примерно в интервале 0 ÷ 1.5 0 ), то можно

считать вероятность элементарного акта поглощения фотона постоянной величиной. Теория фотоэлектронной эмиссии основана на предположении

опостоянстве вероятности поглощения и была разработана Фаулером.

Втеории Фаулера принимается, что для всех электронов, способных

к эмиссии, коэффициент прозрачности барьера Д 1. Для формы барьера, характерной для металлов, это предположение не вносит большой ошибки. Так как поглощение фотона вызывает увеличение энергии электрона на h , то в число электронов, способных преодолеть потенциальный барьер, войдут и электроны, энергия которых до поглощения фотона была

соответствии с основным предположением теории, можно считать постоянной величиной. Следовательно,